大佛寺煤矿对回采工作面结构改善研究

2023-12-09张强

山东煤炭科技 2023年11期

张强

（陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西咸阳 713500）

随着煤矿机械化程度的增加，每年消耗的巷道也在不断增加[1-2]。巷道的掘进、支护、充填等需要大量人力物力去维护。且巷道使用周期普遍较短，需要提高巷道的使用率[3-4]。以大佛寺矿掘进工作面为例，巷道为半煤岩巷、岩巷，施工工期长、进度慢[5]，严重制约了工作面的形成时间和矿井接续，因此针对工作面外围系统的优化亟待解决。结合矿井实际，设计巷道支护及外围复用方案，为煤矿工作面改善提供一种思路。

1 地质构造

大佛寺矿40103 工作面主采4 煤，4 煤为黑色，半亮型，沥青光泽，层状构造，条带状结构，贝壳状或阶梯状断口，硬度相对较大，普氏硬度系数2～3。工作面内煤层厚度14～16 m，平均煤厚15 m，属稳定厚、特厚煤层。煤层结构简单，局部含0～2层夹矸，大部分不含夹矸，岩性多为碳质泥岩。煤层东厚西薄，平均倾角2°～7°30′，煤层赋存较为稳定。

直接顶多为泥岩，浅灰色，具水平纹理，含黄铁矿结核和植物化石，厚度平均1.98 m，抗压强度24.6 MPa，软化系数0.4，属于易冒落半坚硬不稳定型；基本顶主要为粉砂岩，浅灰～灰白色，平均厚度8.34 m，抗压强度63.76 MPa，软化系数0.50，属于半坚硬较稳定型；4 煤直接底多为铝土质泥岩，褐灰色，光滑细腻，厚层状，含鲕粒，遇水极易软化，易膨胀，厚度平均7.29 m，其抗压强度29.4 MPa，软化系数0～0.15，属于不坚硬不稳定型。

2 相邻工作面复用外围系统

2.1 巷道布置

根据大佛寺矿掘进工作面实际情况，外围系统设计长度在250～300 m，较长的达到350 m，巷道为半煤岩巷或岩巷，施工工期普遍在2～3 个月，施工进度慢、工期长，严重制约了工作面的形成时间和矿井接续。为解决矿井接续紧张，降低万吨掘进率，延长工作面治灾抗灾时间，减少矸石产出量，提升掘进工效，因此复用相邻工作面外围系统，具体如下。

40103 综放工作面设计过程中，回顺风桥巷道对应胶带巷为4 煤胶带大巷二部机头硐室，40103回顺风桥过巷难度较大，因此40103 回顺外围系统掘进过程中，通过复用40104 回顺外围系统中回联及风桥段，只掘进67 m 回风通道，从而形成40103回顺外围系统，少掘进巷道188 m，优化了回顺外围系统设计。40103 回顺外围系统掘进如图1。

图1 40103 回顺外围系统复用示意图

相邻工作面外围系统复用，40203 工作面相邻40201 工作面，根据彬长公司规定，回采工作面运顺必须设计在实煤体侧，因此40203 回顺与40201回顺相邻，40201 工作面回采结束后，40203 回顺直接从40201 回顺三岔口向里拐弯掘进，减少巷道进尺275 m；40203 工作面回采结束，40205 回顺从40203 运顺三岔口向里拐弯掘进，减少巷道进尺275 m。对翼工作面溜煤眼复用。41201 工作面位于412 采区北翼，运顺溜煤眼深度19.6 m，采用混凝土浇筑，净直径2.5 m；40204 工作面位于402 采区南翼，通过设计与41201 运顺在同一经纬度。

2.2 支护设计

40103 回顺回风通道采用直墙半圆拱断面，40103 回顺采用矩形断面。回顺回风通道掘宽4500 mm，掘高3500 mm，掘断面积13.57 m2。回顺掘宽5600 mm，掘高3500 mm，掘断面积19.6 m2。

巷道毛水沟400 mm×500 mm，水沟采用风镐施工，煤矸上皮带系统运输，水沟滞后工作面不能超过45 m。巷道断面特征见表1。

表1 巷道断面特征表

巷道临时支护采用移溜器对顶板进行临时支护，永久支护采用金属螺纹钢锚杆+钢带+金属网+锚索进行联合支护。三岔口至40103 回顺停采线断面支护如图2。

图2 三岔口至40103 回顺停采线断面支护（mm）

三岔口至停采线段93 m、回风通道外段22 m 处回顺通道，具体支护参数：巷道为矩形断面，掘宽5.6 m，掘高3.5 m，顶板采用金属螺纹钢锚杆配以钢带、金属网及锚索支护。锚杆规格为Ф22 mm×2500 mm，矩形布置，间排距700 mm×800 mm，每根使用1 支MSK23/35 型锚固剂和2 支MSZ23/35 型锚固剂；锚索采用规格为Ф21.8 mm×7100 mm 钢绞线，每排3 根，间排距1750 mm×800 mm，每根锚索使用1 支MSK23/35 型和3 支MSZ23/35 型树脂锚固剂。帮部采用Ф22 mm×2500 mm 锚杆配金属网及异形钢带支护，间排距800 mm×800 mm，每根使用1支MSK23/35 型和2 支MSZ23/35 型树脂锚固剂。钢带为BHW-280-3.0-5 100 型，孔距700 mm。异形钢带宽80 mm，孔距800 mm。顶部锚索设计外露长度（200±50）mm，帮部锚索设计外露长度（150±50）mm。锚杆外露长度设计（25±15）mm。锚索托盘采用Q235 蝶形托盘配合导向环使用，蝶形托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。锚杆配套铁托板采用国家标准的Q235 钢托板，规格为150 mm×150 mm×12 mm。金属网为Φ6 mm 钢筋制成，金属网规格为1000 mm×2500 mm，网孔规格100 mm×100 mm，均要求压茬一个网格。联网时采用14#铁丝双股，每隔200 mm 双排绑扎。

40103 工作面停采线至切眼（长度1768 m）支护参数：巷道为矩形断面，掘宽5.6 m，掘高3.5 m，顶板采用金属螺纹钢锚杆配以钢带、金属网及锚索进行支护。锚杆规格为Ф22 mm×2500 mm，间排距1400 mm×800 mm，每根使用1 支MSK23/35 型锚固剂和2 支MSZ23/35 型锚固剂；锚索采用Ф21.8 mm×7100 mm 钢绞线，间隔布置，间排距1400 mm×800 mm，每根锚索使用1 支MSK23/35 型和3 支MSZ23/35 型树脂锚固剂。帮部采用锚杆、锚索配菱形网及异形钢带支护。锚杆规格Ф22 mm×2500 mm，菱形布置，间排距1600 mm×800 mm，锚索规格Ф18.9 mm×3500 mm，菱形布置，间排距1600 mm×800 mm，每根使用1支MSK23/35 型和2 支MSZ23/35 型树脂锚固剂。钢带为BHW-280-3.0-5100 型，孔距700 mm，异形钢带宽80 mm，孔距800 mm。顶部锚索设计外露长度（200±50）mm，帮部锚索设计外露长度（150±50）mm，锚杆外露长度设计（25±15）mm。锚索托盘采用Q235 蝶形托盘配合导向环使用，蝶形托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。锚杆配套铁托板采用国家标准的Q235 钢托板，规格为150 mm×150 mm×12 mm。金属网为Φ6 mm 钢筋制成，金属网规格为1000 mm×2500 mm，网孔规格100 mm×100 mm。菱形网为12#铁丝编制而成，网幅1000 mm×10 000 mm，网孔50 mm×50 mm，均要求压茬一个网格。联网时采用14#铁丝双股，每隔200 mm 双排绑扎。40103 回顺停采线至切眼支护示意图如图3。

图3 40103 回顺停采线至切眼支护示意图（mm）

40103 回风通道顶板及帮部采用金属螺纹钢锚杆配以菱形网及锚索进行支护。锚杆规格均为Φ22 mm×2500 mm，矩形布置，间排距800 mm×800 mm；锚索采用Φ21.8 mm×7100 mm 钢绞线，矩形布置，间排距 1600 mm×1600 mm（每2 排3 根）。锚杆每根使用1 支MSK23/35 树脂药卷和2 支MSK23/35 树脂药卷，锚索每根使用1 支MSK23/35树脂药卷和3 支MSZ23/35 树脂药卷。锚杆预紧力矩为300 N·m，锚固力为100 kN；锚索预紧力为220 kN，锚固力为250 kN。顶部锚索设计外露长度（200±50）mm，帮部锚索设计外露长度（150±50）mm，锚杆外露长度设计（25±15）mm。金属网为Φ6 mm 钢筋网，网幅1000 mm×2500 mm，网孔100 mm×100 mm。菱形网为12#铁丝编制菱形网，网幅1000 mm×10 000 mm，网孔50 mm×50 mm。锚杆托板规格150 mm×150 mm×12 mm，锚索碟形托板规格300 mm×300 mm×16 mm，每个锚索托盘配一个调心球垫使用。联网时采用14#铁丝双股，每隔200 mm 双排绑扎。40103 回风通道断面支护如图4。

图4 40103 回风通道断面支护（mm）

2.3 支护工艺

1）临时支护

采用移溜器对顶板进行临时支护。移溜器个数为2，型号为YT4-8A，活塞杆全部伸出时最大高度1855 mm，额定推力39.2 kN。为了使移溜器更好地适应巷道，对移溜器进行了改造。改造方式：移溜器活塞杆上套一个1300 mm 长DN70 焊管，活塞杆顶端伸进管内200 mm。焊管顶端安装一块150 mm×150 mm×10 mm 厚钢板，与活塞杆顶端以铰接方式连接，确保钢板有一定的旋转自由度。钢板上方焊接1 根1 m 长B19 六方钻杆，两侧各伸出500 mm。钢板四角焊接爪钉，确保与顶板接触紧实不打滑。改造后移溜器最小高度2200 mm，最大高度3100 mm，行程800 mm。焊管长度可根据巷道高度自行调整。

支护顺序：综掘机截割或爆破后，适当出煤，确保移溜器支撑处顶板至浮渣面高度不小于2.6 m；由经验丰富的老工人进行敲帮问顶；将准备好的钢筋网运至迎头，并与顶板迎头网片进行简单压茬连接，联网间距可放大至400 mm；接着安装移溜器，并操作移溜器油缸手把升起活塞杆支撑顶板，升启活塞杆的同时将网片顶起。支撑到位后用防倒钩将焊管顶端挂在已支护完好的网片上；按照作业规程或措施要求进行锚网永久支护；每排永久支护结束后方可拆除临时支护，拆除时先卸压，再摘掉放倒钩；最后在其他作业人员的配合下缓缓将移溜器拆除、放倒在地上。每排支护均按此程序进行临时支护。

支护标准：每排安装2 个移溜器，左右各1 个，距巷道中线均为1 m；焊管顶部超前最后一排锚杆不超过1 m（排距0.8 m）或1.2 m（排距1 m）；当顶板不平时可适当调整移溜器支撑位置；移溜器不能打在实底上时要加垫木托板，木托板应与移溜器垂直，每次只能加垫一块木托板；使用移溜器时应与顶板垂直，偏差不超过15°，沿断面左右两侧偏差不超过5°；支柱初撑力以“焊管不弯，底端不陷、手摇不晃”为标准。

2）永久支护

割煤施工后及时进行全面敲帮问顶→临时支护→施工顶部锚杆→安装好锚杆→进行顶锚索、帮锚杆永久支护。

具体锚杆安装步骤：每班作业人员进入掘进迎头前，应进行安全检查、设备检查与维护、物料准备等工作，特别对支护材料进行严格验收，不合格材料严禁使用；安装锚杆前将眼孔内煤岩粉清理干净，确保锚固剂与锚杆眼壁能够良好接触；送树脂药卷：向锚杆孔装入规定树脂药卷，用锚杆慢慢将药卷送入眼底，快速在里面，中速在外面；搅拌树脂药卷：用搅拌接头将锚杆机和锚杆螺母连接起来，开动锚杆机使锚杆升至眼底时，停止升锚杆机，搅拌30～45 s 停机，待中速锚固剂凝固（约480 s）后再次启动锚杆机旋转推进；将螺母定位销破开，使托盘锚网压紧岩面；最后，人工用自制加长力矩扳手二次紧固；力矩扳手检查及拧紧。

送树脂药卷：向锚索孔装入1 支MSK23/35 和3 支MSZ23/35 型药卷，用锚索慢慢将药卷送入眼底，快速在里面，中速在外面；之后，搅拌树脂药卷：用搅拌接头将锚杆机和锚索连接起来，开动锚杆机使锚杆升至眼底时，停止升锚杆机，开动锚杆机搅拌，搅拌应由慢到快，推入孔底50 s 时停止搅拌，此时还需用锚索机顶住锚索约1 min 后，方能放下锚索机；最后，张拉：待树脂凝固后取出搅拌器，半小时后上槽钢及锁具，用风动张拉机对锚索进行张拉。

3 矿压监测及效益分析

3.1 矿压监测

如图5 所示，在工作推进的过程中，巷道两侧和顶部的移动变化趋势大致相同。然而，由于地质条件、巷道跨度和支撑强度等因素的不同影响，沿着空隙不同的位置，表面的移动变化表现出明显的差异。例如，距开切眼356 m 时围岩的顶部和底部移动量最大达到了235 mm，而距开切眼147 m 时顶底板的移动量最大为219 mm。同样，距开切眼356 m 时围岩两侧的移动量最大达到了313 mm，而距开切眼147 m 时断面两侧的移动量最大为281 mm。另外巷道变形主要集中于采掘影响区域，且随时间推移逐渐降低，最后趋于稳定。在该支护方式下矿压稳定在合理范围内。

图5 巷道围岩收敛变形监测

3.2 效益分析

巷道外围系统复杂，月进度较低，减少外围系统施工，工作面内圈系统形成时间缩短1～2 个月，为工作面灾害治理提供可靠保障。每年复用两条外围系统，减少巷道进尺约550 m，降低万吨掘进率约3.2%。顺槽外围系统巷道多为岩巷及半煤岩巷，减少外围系统施工，降低矸石产量，实现绿色开采，减少矿区环境污染，避免矸石外运污染社会环境。按照平均巷道断面为18.9 m²，岩巷长度200 m 计算，两条巷道减少矸石产量200 m×18.9 m²×2.6 t/m3×2=19 656 t。通过外围系统复用，每年减少掘进进尺550 m，每米延米单价9850 元（材料费、人工费、社保、电费），节约费用550×9850=541.75 万元；每年减少矸石产量1.96 万t，处理矸石每吨费用13元，节约费用1.96×13=25.48 万元；合计节约费用567.23 万元。